CONFERENCIA Modelado matemático y simulación numérica de procesos de transferencia de energía en Ingeniería de Alimentos

ZARITZKY NOEMI.

Montería-Córdoba.

Simposio; VI Simposio Internacional Agroalimentario "Innovación para el Emprendimiento y Desarrollo Alimentario Sostenible" -SIAL19,; 2019

UNIVERSIDAD DE CORDOBA - COLOMBIA

El modelado matemático y la simulación computacional aplicada a la transferencia de energía en alimentos constituyen herramientas fundamentales para el diseño, la optimización de procesos y el desarrollo de nuevas tecnologías. En esta disertación se presentan y discuten dos casos que se han resuelto en nuestro grupo de investigación, a partir del modelado matemático y de la simulación numérica de problemas de transferencia de energía en estado no estacionario en sistemas de geometría irregular utilizando el método de elementos finitos (FEM). Uno de los casos corresponde a un producto cárneo en el cual la transferencia de energía está acoplada a inactivación microbiana y el otro a un producto vegetal que se somete a un tratamiento térmico acoplado a inactivación enzimática.En ambos casos los alimentos se asimilaron a sólidos de revolución cuyos contornos se obtuvieron a través de imágenes digitales que fueron luego importadas al mallador. El proceso térmico se simuló resolviendo computacionalmente las ecuaciones diferenciales a derivadas parciales que representan la transferencia de energía en estado no estacionario. En todos los casos los modelos numéricos se validaron con resultados experimentales de historias térmicas obtenidas mediante termocuplas ubicadas en distintas puntos del alimento.El primer caso seleccionado corresponde al tratamiento térmico de embutidos en el que se quiere lograr la inocuidad del producto final, de tal manera de minimizar los riesgos de supervivencia de microorganismos patógenos, como Escherichia coli O157:H7; esta es una cepa enterohemorrágica de la bacteria E. coli y una causa de intoxicación alimentaria debido a la producción de verotoxina. La infección puede conducir a una falla renal (Síndrome urémico hemolítico), especialmente en infantes y ancianos. Los resultados obtenidos permitieron estimar los tiempos de tratamiento térmico adecuados para lograr inocuidad teniendo en cuenta condiciones reales de procesamiento industrial como por ejemplo temperatura de fluido externo variable según la carga de alimento procesada y la capacidad de los quemadores de Equipo.( Santos et al., 2010)El segundo caso corresponde a la producción de vegetales pre-cocidos congelados (repollitos de Bruselas,Brassica olareacea L. gemmifera DC) que son una fuente esencial de nutrientes en la ingesta diaria. Pertenecen a la familia de las crucíferas y contienen múltiples nutrientes con propiedades anti-cancerígenas. Para el adecuado almacenamiento de vegetales congelados es necesario previamente realizar una pre-cocción en la que se inactivan las enzimas responsables de su deterioro; generalmente las enzimas que deben inactivarse térmicamente son peroxidasa (POD) y lipoxigenasa (LOX). Con el propósito de establecer tiempos adecuados de pre-cocción a nivel industrial fue necesario determinar la cinética de inactivación térmica de estas enzimas y sus energías de activación. A través de determinaciones experimentales y regresiones no lineales se calcularon las constantes cinéticas de las fracciones termo-lábil y termo-resistente de POD y LOX y las correspondientes energías de activación. (Perez et al., 2017)Estas cinéticas de inactivación enzimática se acoplaron al programa de simulación de transferencia de energía calculando a cada tiempo la actividad enzimática residual en todo el dominio del alimento. Posteriormente se simuló numéricamente el proceso de congelación considerando propiedades termofísicas variables con la temperatura. El calor específico del alimento se obtuvo utilizando Calorimetría Diferencial de Barrido. Para validar experimentalmente los modelos numéricos, los vegetales fueron sometidos a procesos de calentamiento y posteriormente fueron introducidos en un túnel de congelación; las historias térmicas en distintos puntos del producto se obtuvieron mediante termocuplas conectadas a un equipo de adquisición de datos. Las predicciones numéricas concordaron satisfactoriamente con los resultados experimentales. El modelo validado experimentalmente se utilizó para optimizar la pre-cocción y la congelación del vegetal. La optimización del proceso de pre-cocción fue asociada a factores de calidad del vegetal congelado y almacenado.Se concluye a partir de los resultados presentados que el modelado matemático y la simulación numérica contribuyen a un conocimiento más profundo de los procesos de transferencia térmica permitiendo su optimización a nivel industrial.